주 변압기 용량 구하는 방법 (2 Steps)

수용가에서 필요로 하는 전력과 수전 전압, 배전 전압이 결정되면 주 변압기의 용량을 구할 수 있습니다. 전기설계에서 가장 먼저 스펙을 결정하는 기기가 바로 변압기인데요. 그만큼 전력 계통의 중심 역할을 하는 전기 설비라고 할 수 있습니다. 오늘은 주 변압기의 용량을 구하는 방법에 대해서 알아봅니다.

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주 변압기 용량 구하기 Step 1 : 변압기 용량 계산하기

수용가에서 필요로 하는 전력인 평균 수용전력과 부하의 종합 역률, 수용가에서 차후 증설을 고려하고 있다면 그 여유율을 알면 변압기 용량을 구할 수 있습니다.

Q = \Large {\frac{P \ \bullet\ \beta}{Pf}} \normalsize{[kVA]}

　

Q는 변압기 용량, P는 수용가의 평균 수용전력, Pf는 부하의 종합 역률, β는 여유율을 의미합니다. 변수를 하나씩 살펴 보겠습니다.

먼저 평균 수용전력은 수용가가 어떤 공장인지, 어떤 설비를 넣는지, 어떤 규모인지에 따라 천차만별입니다. 평균 수용전력을 알기 위해서는 기존에 같은 시설, 비슷한 규모의 공장의 전력 계통을 설계해 본 경험이 있는 엔지니어에게 문의하거나, 해당 공장의 전기 담당자에게 문의하는 것이 좋습니다. 플랜트 설계의 경우, 발주처에서 평균 수용전력에 대한 Inform을 제공 해 주는 경우가 많습니다.

Pf는 부하의 종합 역률입니다. 역률은 전력 회사(한전)에서 요구하는 역률이 있습니다. 국내에서는 일반적으로 변압기 용량을 결정할 때 목표 역률을 90%로 정합니다. 즉, Pf값은 0.9가 됩니다.

여유율 β는 앞으로 부하 증설을 얼마나 할 지 보고 판단합니다. 보통 발주처에서 정보를 제공 해 주는데, 특별한 니즈가 없는 경우에는 20% 정도를 여유율로 고려합니다.

예를 하나 들어보겠습니다. 평균 수용전력이 35000kW인 공장의 변압기 용량은 어떻게 계산할까요? 역률은 0.9, 여유율은 20%로 잡겠습니다.

Q = \Large {\frac{P \ \bullet\ \beta}{Pf}} = \frac{35000 \ \bullet \ 1.2}{0.9} = \normalsize 46666 \approx 50000 \ {[kVA]}

　

변압기 용량 Q는 계산 결과 약 50000[kVA]가 됩니다.

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주 변압기 용량 구하기 Step 2 : 변압기 수량 결정

Step 1에서 변압기 전체 용량을 구했다면, Step 2에서는 변압기의 수량을 결정합니다. 변압기 bank수를 결정한다고 말하기도 합니다.

Step 1에서 본 것처럼 50000kVA (50MVA) 변압기가 필요하다는 계산 결과가 나왔다고 해서, 바로 50MVA 1대의 변압기를 주 변압기로 결정하는 것은 아닙니다. 물론 50MVA 변압기 한 대를 놓을 수도 있지만, 더 많은 것들을 고려 해 보아야 합니다.

가장 먼저, 변압기 2차 측에 흐를 수 있는 전류와 고장 전류를 계산 해 보아야 합니다. 왜냐하면 이 계산 값을 토대로 변압기 2차 측에 설치될 전기 기기들이 국내에서 표준으로 생산되는지 확인해야 하기 때문입니다. 변압기 2차 측에 설치하는 대표적인 전기 기기는 차단기와 CT가 있습니다. 차단기를 고를 땐 정격 전압, 정격 전류, 정격 차단 전류를 고려해야 합니다. CT는 정격 전압, 정격 1차 전류, 과전류 강도, ALF(Accuracy Limit Factor)를 고려하여 결정하게 됩니다.

예를 들어 보겠습니다. 주 변압기의 1차 전압은 154kV, 2차 전압은 6.6kV, 퍼센트 임피던스는 10%라고 가정 해 봅시다. Step 1에서 계산한 변압기 용량은 50000kVA입니다. 변압기 2차에 흐를 수 있는 전류와 고장 전류를 먼저 계산 해 봅니다.

@ 변압기 2차에 흐를 수 있는 전류 (변압기 용량을 이용한 계산)

I = \Large {\frac{50000}{\sqrt{3}\times6.6}} \normalsize{=4374[A]}

　

@ 변압기 2차에서 발생할 수 있는 최대 고장 전류

I = \Large {{\frac{50000}{\sqrt{3}\times6.6}}\times\frac{100}{10}}\normalsize{=43.74[kA]}

　

계산 결과 변압기 2차에 흐르는 전류는 4374[A], 고장 전류는 43.74[kA]입니다. 전기설비를 고를 때 고려해야 할 점에서 언급한 것처럼, 전기설비는 최악의 상황을 염두에 두고 결정하게 됩니다. 즉, 정격 전류는 5000[A], 단락 용량은 50[kA] 이상인 차단기를 골라야 하는 것입니다. 이러한 스펙의 차단기가 표준 제품으로 생산 되는지 확인 해야 합니다. 단락 용량 50kA, 정격 전류는 5000A인 차단기는 국내에서 표준으로 생산되지 않습니다. 이렇게 되면 다른 방안들을 검토 해야 합니다.

① 변압기 1대의 용량을 줄이고, 수량을 늘리는 방법

변압기의 용량을 50MVA에서 25MVA로 줄이면 당연히 변압기 2차에 흐르는 전류와 고장 전류도 절반으로 줄어듭니다. 계산 해 보면 변압기 2차 전류는 2187[A], 고장 전류는 21.87[kA]가 됩니다.

정격 전류 2500A, 단락 용량 25kA인 차단기는 표준 제품으로 생산됩니다. 따라서 25MVA 변압기 2대를 주 변압기로 사용하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있습니다.

② 변압기 2차 전압(즉, 배전 전압)을 22.9kV로 올리는 방법

변압기 2차 전압, 즉 배전 전압을 22.9kV로 올려도 변압기 2차에 흐르는 전류와 고장 전류를 줄일 수 있습니다. 계산 결과 변압기 2차 전류는 1260[A], 고장 전류는 12.6[kA]가 됩니다.

정격 전류 1500A, 단락 용량이 15kA 이상인 차단기도 표준 제품으로 생산됩니다. 따라서 50MA 변압기 1대를 주 변압기로 사용하되, 배전 전압을 6.6kV에서 22.9kV로 올리는 것도 방법이 될 수 있음을 알 수 있습니다.

이렇게 두 가지 대안이 모두 가능할 경우에는 전기실의 면적, 수배전반의 가격, 케이블 굵기과 같이 전기설비와 관련된 것들의 총 가격을 따져본 후 경제적인 방향으로 선택하면 됩니다.

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결론

오늘은 주 변압기의 용량을 구하는 방법에 대해서 알아 보았습니다. 이는 계통 설계를 할 때 가장 먼저 수행하는 것이기도 합니다. 저의 글이 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다.